{"id":{"repo_id":"freiburg-diss","oai_identifier":"oai:freidok.uni-freiburg.de:1211"},"canonical_url":"https://search.dev.ndltd.org/etd/freiburg-diss/oai:freidok.uni-freiburg.de:1211","repository":{"repo_id":"freiburg-diss","name":"University of Freiburg","base_url":"https://freidok.uni-freiburg.de/oai/oai2.php"},"display":{"title":"Charakterisierung der zellulären Bindung und Aufnahme von clostridialen Toxinen","abstract":"C. difficile ist der Auslöser der Antibiotika-assoziierten Diarrhoe und der pseudomembranösen Colitis. Die beiden Hauptvirulenzfaktoren des Keims sind Toxin A und Toxin B. Beides sind Mitglieder der Familie der großen clostridialen Zytotoxine, zu denen noch das a-Toxin von C. novyi sowie das Letal-Toxin und das hämorrhagische Toxin von C. sordellii gehören. Die großen clostridialen Zytotoxine inaktivieren niedermolekulare GTPasen der Rho-Familie, die wichtige Signalproteine sind, durch Mono-O-Glucosylierung. Bisherige Untersuchungen haben zum Modell einer funktionellen Dreiteilung der Toxinmoleküle geführt: Die Toxine bestehen aus einer C-terminalen Bindungsdomänen, einer Translokationsdomäne und einer N-terminalen Enzymdomäne. <br>In der vorliegenden Arbeit wurde die Aufnahme von C. difficile Toxin B und insbesondere eine Prozessierung des Toxins untersucht. Eine weitere Aufgabe war die Entwicklung einer schnellen Nachweismethode der Toxine von C. difficile. <br>Im Rahmen dieser Arbeit wurden Fragmente von Toxin B und das komplette Holotoxin rekombinant exprimiert, um die Bindung und Translokation an eukaryote Zellen zu untersuchen. Es konnte gezeigt werden, dass ein 1820 Aminosäuren umfassender C-terminaler Bereich des Toxins, das Fragment CDB547-2366 für die zelluläre Bindung und Translokation verantwortlich ist. Dieses Fragment wurde in endosomalen Kompartimenten und nach Zelllyse in der Membranfraktion nachgewiesen. Das Fragment CDB547-2366 inserierte bei niedrigen pH-Werten in Zellmembranen sowie künstliche Lipidmembranen und bildete Ionen-permeable Poren. Nach der Intoxikation von Zellen mit dem Holotoxin konnte im Zytosol der Zielzellen CDB547-2366 nicht nachgewiesen werden. Dagegen wurde gezeigt, dass ein ~65 kDa großes Fragment in das Zytosol der Zielzelle übergeht. Dieses Fragment zeigte im in vitro-Glucosylierungsversuch volle katalytische Aktivität und konnte mittels immunochemischer und massenspektometrischer Methoden als N-terminales Fragment von Toxin B identifiziert werden. Aus den vorgelegten Ergebnissen ergibt sich folgendes Model der Aufnahme von C. difficile Toxin B in eukaryote Zellen: nach Bindung an einen spezifischen Rezeptor an der Zelloberfläche wird Toxin B über Rezeptor-vermittelte Endozytose in eukaryote Zellen aufgenommen. Nach Ansäuern der Endosomen kommt es wahrscheinlich zu einer Konformationsänderung des Toxins. Hydrophobe Bereiche werden exponiert und inserieren in die Endosomenmembran. Der enzymatisch aktive Teil geht in das Zytosol über und monoglucosyliert die kleinen GTPasen der Rho-Familie. <br>Im Rahmen dieser Arbeit konnte durch den Nachweis des enzymatisch aktiven Fragments im Zytosol von Zielzellen erstmals gezeigt werden, dass nur ein Teil von Toxin B in das Zytosol transloziert und die Bindungs-/Translokationsdomäne in <br>endosomalen Membranen verbleibt. Diese Untersuchungen lieferten grundlegende Informationen zur Verständnis der zellulären Aufnahme der großen clostridialen Zytotoxine. <br>Zur Untersuchung der Epidemologie und Pathogenität von C. difficile Stämmen wurde ein Nachweissystem für die Toxintypisierung entwickelt. Zur Erfassung der Varianten der Toxine von C. difficile wurde die Polymerase-Ketten-Reaktion eingesetzt. Die Gene von Toxin A und B sind chromosomal in einem toxigenen Element, dem Pathogenitätslokus lokalisiert. Es wurde eine Methode etabliert, die es ermöglicht, in einem Schritt die Toxinvarianten zu bestimmen. Im Gegensatz zu bisher üblichen Methoden, bei denen bis zu neun verschiedene PCR-Ansätze nötig waren, konnten der Aufwand und die Zeit zur Untersuchung von C. difficile Stämmen erheblich reduziert werden. Mittels einer weiteren PCR-Methode konnte auch das Gen der ADP-Ribosyltransferase CDT in C. difficile Stämmen nachgewiesen werden. Diese Methoden ermöglichen eine schnelle Charakterisierung von C. difficile Stämmen. <br>Untersuchungen von klinischen Isolaten von C. difficile zeigten, dass wahrscheinlich die Detektion aller bekannten Pathogenitätsfaktoren (Toxin A, Toxin B und CDT) für die diagnostische Erfassung des Keim notwendig ist.","abstract_html":"C. difficile ist der Auslöser der Antibiotika-assoziierten Diarrhoe und der pseudomembranösen Colitis. Die beiden Hauptvirulenzfaktoren des Keims sind Toxin A und Toxin B. 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Aus den vorgelegten Ergebnissen ergibt sich folgendes Model der Aufnahme von C. difficile Toxin B in eukaryote Zellen: nach Bindung an einen spezifischen Rezeptor an der Zelloberfläche wird Toxin B über Rezeptor-vermittelte Endozytose in eukaryote Zellen aufgenommen. Nach Ansäuern der Endosomen kommt es wahrscheinlich zu einer Konformationsänderung des Toxins. Hydrophobe Bereiche werden exponiert und inserieren in die Endosomenmembran. Der enzymatisch aktive Teil geht in das Zytosol über und monoglucosyliert die kleinen GTPasen der Rho-Familie. &lt;br&gt;Im Rahmen dieser Arbeit konnte durch den Nachweis des enzymatisch aktiven Fragments im Zytosol von Zielzellen erstmals gezeigt werden, dass nur ein Teil von Toxin B in das Zytosol transloziert und die Bindungs-/Translokationsdomäne in &lt;br&gt;endosomalen Membranen verbleibt. 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Dieses Fragment zeigte im in vitro-Glucosylierungsversuch volle katalytische Aktivität und konnte mittels immunochemischer und massenspektometrischer Methoden als N-terminales Fragment von Toxin B identifiziert werden. Aus den vorgelegten Ergebnissen ergibt sich folgendes Model der Aufnahme von C. difficile Toxin B in eukaryote Zellen: nach Bindung an einen spezifischen Rezeptor an der Zelloberfläche wird Toxin B über Rezeptor-vermittelte Endozytose in eukaryote Zellen aufgenommen. Nach Ansäuern der Endosomen kommt es wahrscheinlich zu einer Konformationsänderung des Toxins. Hydrophobe Bereiche werden exponiert und inserieren in die Endosomenmembran. Der enzymatisch aktive Teil geht in das Zytosol über und monoglucosyliert die kleinen GTPasen der Rho-Familie. <br>Im Rahmen dieser Arbeit konnte durch den Nachweis des enzymatisch aktiven Fragments im Zytosol von Zielzellen erstmals gezeigt werden, dass nur ein Teil von Toxin B in das Zytosol transloziert und die Bindungs-/Translokationsdomäne in <br>endosomalen Membranen verbleibt. Diese Untersuchungen lieferten grundlegende Informationen zur Verständnis der zellulären Aufnahme der großen clostridialen Zytotoxine. <br>Zur Untersuchung der Epidemologie und Pathogenität von C. difficile Stämmen wurde ein Nachweissystem für die Toxintypisierung entwickelt. Zur Erfassung der Varianten der Toxine von C. difficile wurde die Polymerase-Ketten-Reaktion eingesetzt. Die Gene von Toxin A und B sind chromosomal in einem toxigenen Element, dem Pathogenitätslokus lokalisiert. Es wurde eine Methode etabliert, die es ermöglicht, in einem Schritt die Toxinvarianten zu bestimmen. Im Gegensatz zu bisher üblichen Methoden, bei denen bis zu neun verschiedene PCR-Ansätze nötig waren, konnten der Aufwand und die Zeit zur Untersuchung von C. difficile Stämmen erheblich reduziert werden. Mittels einer weiteren PCR-Methode konnte auch das Gen der ADP-Ribosyltransferase CDT in C. difficile Stämmen nachgewiesen werden. Diese Methoden ermöglichen eine schnelle Charakterisierung von C. difficile Stämmen. <br>Untersuchungen von klinischen Isolaten von C. difficile zeigten, dass wahrscheinlich die Detektion aller bekannten Pathogenitätsfaktoren (Toxin A, Toxin B und CDT) für die diagnostische Erfassung des Keim notwendig ist.","C. difficile causes the antibiotica-associated diarrhea and the pseudomembranose colitis. The main virulence factors of the bacteria are toxin A and toxin B. Both toxins are members of the family of large clostridial cytotoxins. To this family belong also a-toxin of C. novyi as well as the lethal-toxin and the hemorrhagic toxin of C. sordellii. The large clostridial cytotoxins inactivate the small GTPases of the Rho-family, important signalling proteins, by mono-O-glucosylation. Due to recent studies the toxins seems to consist of three parts: a C-terminal binding domain, a translocation domain and a N-terminal enzyme domain. <br>In this work the uptake of C. difficile toxin B and especially a processing of the toxin was studied. Another part of the work was the development of a fast detection method for the toxins of C. difficile. <br>Fragments of toxin B and the complete Holotoxin were recombinant expressed and the binding and translocation in eukaryotic cells were studied. It could been shown, that a c-terminal part of 1820 amino-acids, fragment CDB547-2366 is responsible for the cellular binding and translocation. This fragment was detected in endosomal compartments and after cell lyses in the membrane fraction. The fragment CDB547-2366 inserts at low pH in cell membranes as well as in artificial lipid membranes. After intoxication of cells with the holotoxin CDB547-2366 was not detected in the cytosol of target cells. Instead could be shown, that a fragment with the mass of ~65 kDa translocates into the cytosol of the target cells. This fragment shows full activity in the in vitro-glucosylationassay and was identified as N-terminal fragment of toxin B with immunochemical and mass-spectrometric methods. The here presented findings resulte in the following model of the uptake of C. difficile toxin B in eukaryotic cells: after binding to a specific receptor at the cell surface, toxin B is taken up via receptor-mediated endocytoses in eukaryotic cells. After acidification of the endosomes it seems, that a conformational cange of the toxin takes place. Hydrophobic parts are exposed and insert into the endosomale membranes. The enzymatic active part is translocated into the cytosol and monoglucosylates the small GTPases of the Rho-family. <br>In this work it was shown for the first time, that only the enzymatic active part of toxin B is translocated to the cytosol and that the binding/translocation domain stays in endosomale membranes. This studies gave basic information to understand the cellular uptake of the large clostridial cytotoxins. <br>To study the Epidemologie and pathogenicity of C. difficile strains a detection system for the toxin typing was developed. To detecte the variations of the toxins the polymerase-chain-reaction was used. The genes of toxin A and B are located on the chromosome in a toxingenic element, the so called pathogenicity locus. A method was established to detect the toxin variations in one step. In former methods up to nine PCR steps were necessary. With another PCR-method the gene for the ADP-ribosyltransferase CDT could be also detected in C. difficile strains. This methods allow a fast characterisation of C. difficile strains. <br>Studies of clinical isolates of C. difficile showed, that the detection of all known pathogenicity factors (Toxin A, Toxin B and CDT) seems to be necessary for the diagnostic characterisation of the bacteria."]},{"key":"dc:format.medium","label":"Dc Format Medium","values":["application/pdf"]},{"key":"dc:title","label":"Title","values":["Charakterisierung der zellulären Bindung und Aufnahme von clostridialen Toxinen","Characterisation of the cellular binding and uptake of clostridial toxins"]}]}],"canonical_facts":{"dc:contributor":["Bechthold, Andreas"],"dc:creator":["Pfeifer, Gunther"],"dc:description.abstract":["C. difficile ist der Auslöser der Antibiotika-assoziierten Diarrhoe und der pseudomembranösen Colitis. Die beiden Hauptvirulenzfaktoren des Keims sind Toxin A und Toxin B. 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Aus den vorgelegten Ergebnissen ergibt sich folgendes Model der Aufnahme von C. difficile Toxin B in eukaryote Zellen: nach Bindung an einen spezifischen Rezeptor an der Zelloberfläche wird Toxin B über Rezeptor-vermittelte Endozytose in eukaryote Zellen aufgenommen. Nach Ansäuern der Endosomen kommt es wahrscheinlich zu einer Konformationsänderung des Toxins. Hydrophobe Bereiche werden exponiert und inserieren in die Endosomenmembran. Der enzymatisch aktive Teil geht in das Zytosol über und monoglucosyliert die kleinen GTPasen der Rho-Familie. <br>Im Rahmen dieser Arbeit konnte durch den Nachweis des enzymatisch aktiven Fragments im Zytosol von Zielzellen erstmals gezeigt werden, dass nur ein Teil von Toxin B in das Zytosol transloziert und die Bindungs-/Translokationsdomäne in <br>endosomalen Membranen verbleibt. Diese Untersuchungen lieferten grundlegende Informationen zur Verständnis der zellulären Aufnahme der großen clostridialen Zytotoxine. <br>Zur Untersuchung der Epidemologie und Pathogenität von C. difficile Stämmen wurde ein Nachweissystem für die Toxintypisierung entwickelt. Zur Erfassung der Varianten der Toxine von C. difficile wurde die Polymerase-Ketten-Reaktion eingesetzt. Die Gene von Toxin A und B sind chromosomal in einem toxigenen Element, dem Pathogenitätslokus lokalisiert. Es wurde eine Methode etabliert, die es ermöglicht, in einem Schritt die Toxinvarianten zu bestimmen. Im Gegensatz zu bisher üblichen Methoden, bei denen bis zu neun verschiedene PCR-Ansätze nötig waren, konnten der Aufwand und die Zeit zur Untersuchung von C. difficile Stämmen erheblich reduziert werden. Mittels einer weiteren PCR-Methode konnte auch das Gen der ADP-Ribosyltransferase CDT in C. difficile Stämmen nachgewiesen werden. Diese Methoden ermöglichen eine schnelle Charakterisierung von C. difficile Stämmen. <br>Untersuchungen von klinischen Isolaten von C. difficile zeigten, dass wahrscheinlich die Detektion aller bekannten Pathogenitätsfaktoren (Toxin A, Toxin B und CDT) für die diagnostische Erfassung des Keim notwendig ist.","C. difficile causes the antibiotica-associated diarrhea and the pseudomembranose colitis. The main virulence factors of the bacteria are toxin A and toxin B. Both toxins are members of the family of large clostridial cytotoxins. To this family belong also a-toxin of C. novyi as well as the lethal-toxin and the hemorrhagic toxin of C. sordellii. The large clostridial cytotoxins inactivate the small GTPases of the Rho-family, important signalling proteins, by mono-O-glucosylation. Due to recent studies the toxins seems to consist of three parts: a C-terminal binding domain, a translocation domain and a N-terminal enzyme domain. <br>In this work the uptake of C. difficile toxin B and especially a processing of the toxin was studied. Another part of the work was the development of a fast detection method for the toxins of C. difficile. <br>Fragments of toxin B and the complete Holotoxin were recombinant expressed and the binding and translocation in eukaryotic cells were studied. It could been shown, that a c-terminal part of 1820 amino-acids, fragment CDB547-2366 is responsible for the cellular binding and translocation. This fragment was detected in endosomal compartments and after cell lyses in the membrane fraction. The fragment CDB547-2366 inserts at low pH in cell membranes as well as in artificial lipid membranes. After intoxication of cells with the holotoxin CDB547-2366 was not detected in the cytosol of target cells. Instead could be shown, that a fragment with the mass of ~65 kDa translocates into the cytosol of the target cells. This fragment shows full activity in the in vitro-glucosylationassay and was identified as N-terminal fragment of toxin B with immunochemical and mass-spectrometric methods. The here presented findings resulte in the following model of the uptake of C. difficile toxin B in eukaryotic cells: after binding to a specific receptor at the cell surface, toxin B is taken up via receptor-mediated endocytoses in eukaryotic cells. After acidification of the endosomes it seems, that a conformational cange of the toxin takes place. Hydrophobic parts are exposed and insert into the endosomale membranes. The enzymatic active part is translocated into the cytosol and monoglucosylates the small GTPases of the Rho-family. <br>In this work it was shown for the first time, that only the enzymatic active part of toxin B is translocated to the cytosol and that the binding/translocation domain stays in endosomale membranes. This studies gave basic information to understand the cellular uptake of the large clostridial cytotoxins. <br>To study the Epidemologie and pathogenicity of C. difficile strains a detection system for the toxin typing was developed. To detecte the variations of the toxins the polymerase-chain-reaction was used. The genes of toxin A and B are located on the chromosome in a toxingenic element, the so called pathogenicity locus. A method was established to detect the toxin variations in one step. In former methods up to nine PCR steps were necessary. With another PCR-method the gene for the ADP-ribosyltransferase CDT could be also detected in C. difficile strains. 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